温度敏感各向异性材料的表面失稳机理和微结构拓扑优化研究

Thermal-sensitive materials refer to the polymer materials can change their properties such as geometry, thermal conductivity, coefficient of expansion and refractive features under temperature changing. They can be used for fabricating thermal-sensitive sensor, dimming structures and shape memory structure. This project aims at investigating the thermal-sensitive structures with composite curvatures and porous surfaces, deriving the governing equations affected by temperature field or thermal mechanical coupling field, and studying the changing of elastic modulus, Poisson’s ratio and creep of the material at the glass transition temperature. The project also classifies the forms of instability, secondary bifurcation and local instability during the post buckling process. The reverse post buckling process is studied by superpositioning geometrical imperfection. Additionally, the bi-directional evolutionary structural optimization with smooth boundaries algorithm is proposed to realize microstructure optimization of the thermal-sensitive materials and design composite materials with anisotropic expansion properties or negative thermal expansion ratio, which can control structure surface instability and morphology evolution. The methodology of designing thermal- sensitive intelligent structures can have good application prospect in adaptive environment constructions, flexible electronics and drug delivery.

温度敏感材料是指在温度变化时能够改变自身特性如几何形状，导热系数，膨胀系数，折射率的高分子材料，可用于高分子温敏传感器、调光结构和形状记忆结构的制造。本项目针对由温度敏感复合材料构成的复杂曲率的曲面结构和多孔结构，建立温度场或热力耦合作用下的失稳控制方程，研究材料的弹性模量、泊松比和蠕变应变在玻璃化转变温度中的变化。研究层合结构表面失稳的各种模态以及后屈曲过程中出现的曲率二次分岔和局部失稳现象，并通过叠加几何缺陷研究反向表面失稳过程中的形貌演化机理。提出具有光滑边界的双向渐进结构优化算法以实现温度敏感材料的微结构优化，设计具有各向异性膨胀性能和负热膨胀的复合材料以控制结构表面失稳和形貌演化。该温度敏感智能结构在自适应环境建筑、柔性电子元件和药品输送等领域具有良好的应用前景。

采用网络水凝胶这种高分子聚合物为主体材料，与热可塑性聚氨酯为辅助材料混合获得具有高热膨胀率和合理使用强度的超材料。基于目前的温度敏感的软材料单向拉伸的小变形一维线性本构方程，根据粘弹性理论，拓展得到三维热力学本构关系，以描述复杂应力状态下温度敏感材料的热力学性能。对于非晶态高分子材料，其表征热力学性能的材料参数（弹性模量、泊松比和蠕变应变）在玻璃化转变温度附近有极大变化，需要测定复合材料各向异性的热膨胀特性，并综合考虑温度对蠕变应变的影响。在有限元分析中，采用特征值屈曲分析预测理想线性结构的理论屈曲强度，在复杂的非线性分析之前即可获得结构的临界荷载和表面失稳形状，并为非线性后屈曲分析提供可参考的荷载值。采用Block Lanczos 方法求解复杂结构的特征值。为了考虑初始几何缺陷对结构形貌演化的影响，必须对结构进行基于大变形有限元理论的非线性失稳分析。采用改进的Riks 弧长法跟踪非线性平衡路线，选取荷载收敛准则判断收敛性。以低阶特征值对应的特征向量作为初始几何缺陷，根据失稳态的临界波长对缺陷进行幅值修正并通过加权叠加建立新的初始几何模型，在温度场作用下诱导结构表面反向失稳，其表面形貌趋向于初始光滑平整的方向演化。对于各向异性材料的微结构的定向传热优化，基于变换热力学，采用坐标斜变换和旋转变换得到定向传热结构单元的热导率分布表达式，在此基础上定义单元温度梯度。两单元间温度梯度越大说明进行热交换需求越大，在此构建传热通道可以使结构分布更均匀。因此基于结构温度整体性的平均化，选择与实体单元相邻的温度梯度最大的孔洞单元中进行材料添加。与此类似，计算热量传递势容耗散函数对密度的敏度，删减敏度最大的实体单元，可以有效降低结构导热过程中热量传递势的损失，从另一方面提高结构的导热能力。本项目可以在自适应环境建筑和柔性电子元件和药品输送等方面取得广泛应用，契合“十三五”规划中传统制造业绿色化和提质增效的方针。